乌克兰核电站大火可能已被扑灭,但威胁依然存在

2022年3月4日下午5:54
谷歌地球
艾德莱曼
核能安全主任

周五,俄罗斯军队在乌克兰占领了欧洲最大的核电站炮击点燃了核电站的一部分,为全世界敲响了潜在核灾难的警钟。

乌克兰总统弗拉基米尔·泽伦斯基指责俄罗斯故意袭击核电站,发动“核恐怖”警告1986年,乌克兰北部发生了切尔诺贝利式的灾难,当时乌克兰还是苏联的一部分。

核电站工作人员正在操作5700兆瓦、6个反应堆的扎波罗热核电站在“枪口”之下,据乌克兰核官员和地方当局透露确认当地时间早上6点20分左右(美国东海岸时间晚上11点20分),大火在燃烧了近5个小时后被扑灭。

幸运的是,火灾局限在一个训练设施,显然没有破坏工厂的安全系统,也没有释放放射性物质联合国国际原子能机构(IAEA)。然而,俄罗斯占领位于乌克兰首都基辅东南约342英里处的核电站所构成的威胁并没有消失。

扎波罗热核电站只是乌克兰4个核设施之一,这15个反应堆提供了该国一半以上的电力。这些反应堆没有一个是建造来抵御军事攻击的。虽然无法知道俄罗斯是否有意将扎波罗热作为攻击目标,但所有核电站也都容易受到间接火灾的影响,可能会破坏关键的支持系统和周围的基础设施,可能导致燃料熔毁和放射性物质释放,污染数千平方英里的地形。

随着当地局势的发展,关于乌克兰核设施在战争中面临的风险,有四个主要问题需要牢记:

核燃料需要不断冷却

水冷式核电站,例如扎波罗热的反应堆,利用核燃料裂变产生的高热量将水转化为蒸汽,然后使涡轮机旋转来发电。在正常运行的情况下,电力驱动的冷却系统通过泵水通过反应堆核心来去除热量。如果冷却中断,燃料会在数小时内升温,达到可能受损并开始释放高放射性裂变产物的温度。如果最终不能恢复足够的冷却,燃料会熔化穿过反应堆的钢容器,在最严重的情况下,安全壳结构会泄漏或破裂,向外界释放裂变产物。

2011年,日本福岛第一核电站(Fukushima Daiichi)的三个核反应堆发生了这一系列事件。在福岛,一场巨大的地震破坏了为冷却系统提供电力的电网,地震后的海啸淹没了该核电站,使应急柴油发电机和配电系统瘫痪,这些发电机和配电系统需要在现场断电时提供备用电力。尽管核电站工作人员在恶劣的条件下尽了最大的努力,并使用了包括汽车电池和消防车在内的一切手段,但他们仍无法恢复足够的冷却,以防止三处熔毁。燃料的金属包层与水反应产生的氢气积聚到危险水平,导致氢气爆炸,突破了两个反应堆的限制,让更多的放射性物质逸出。

值得注意的是,即使一个反应堆被安全关闭,不再发电——就像福岛的情况一样——如果冷却不足,燃料仍然足够热,足以损坏自身。核反应堆现场有水池,用于在水下储存使用过的或“用过的”核燃料,通常是密集排列的。和堆芯一样,这些燃料池也需要电力驱动的冷却系统,不过,如果冷却系统失效,核电站操作人员通常会有比堆芯更多的时间来防止燃料损坏。但是对于反应堆和乏燃料池来说,可靠的、长期的备用电源是至关重要的。

乌克兰核电站的乏燃料冷却池与安全壳建筑中的反应堆容器相邻,但比美国核电站的冷却池要小。

乌克兰的工厂为事故做好了准备,但没有为军事袭击做好准备

有许多事件都可能引发位于战区的反应堆堆芯或乏燃料池的最坏情况:意外或故意的打击可能直接损坏一个或多个反应堆。上游大坝的溃坝可能会淹没下游的反应堆。火灾会使工厂的电力系统瘫痪。被胁迫的人员可能会犯严重错误。底线是:任何长期断电导致冷却系统运行中断、人员无法控制的情况都有可能引发福岛那样的灾难。

福岛核事故发生后,许多国家采取措施,加强核电站应对事故的能力,这部分抵消了这种危险。这些事故被称为电站停电,涉及场外电力和现场应急柴油发电机的长期损失。工厂所有者获得了额外的设备以提供紧急冷却,包括便携式柴油发电机和柴油动力消防泵,并制定了使用这些设备的战略。然而,这些措施只有在设备可用并在需要时发挥作用,并且工厂人员能够及时设置时才有效。因此,这种应急设备必须能够经受住任何禁用已安装的(非便携式)工厂设备的事件,并且工作人员必须能够将设备送到需要的地方。

核电站必须确保这种后福岛事件的安全设备能够经受住极端天气事件和地震的考验,但它们不太可能已经“硬化”到足以抵御重大军事袭击。扎波罗热的六个反应堆中,每个反应堆都有三台应急柴油发电机,另外还有两台发电机由5号和6号机组共用。这种配置比美国要求每个反应堆机组只配备两台应急柴油发电机更具保护作用。乌克兰要求核电站储存足够运转发电机七天的燃料,这与美国的规定相同。

虽然冗余的安全系统是必要的,但它们是不够的。总有“共模”故障的风险,以同样的方式影响所有冗余设备,因此工厂也需要不同的备份系统。在扎波罗热,还有其他恢复电力的选择,包括连接到当地的水力发电厂和火力发电厂。如果核电站运营商不能通过正常手段恢复电力,那么他们将不得不使用核电站在福岛核事故升级期间获得的16台现场移动抽油机(消防车)。然而,这些单位可能的可用性和可靠性,特别是在攻击条件下,是未知的。

工厂操作人员的健康和安全是一个主要问题

另一个显而易见的问题是,当核设施人员的工作场所被敌对势力占领时,他们的命运将会如何。2月24日接管切尔诺贝利核电站导致了乌克兰政府在3月2日的报告中所述的情况在美国,俄罗斯占领者让核电站操作人员在那里呆了一个星期,没有新的轮班来缓解他们的压力,让他们“承受心理压力和道德上的疲惫”,并给他们“有限的交流、移动和进行全面维护和维修工作的机会”。“这种危险的情况提出了如何实现轮班更替的问题,也就是说,场外人员是否愿意或能够在这种条件下工作。如果长期无法找到新的替代者,显然会影响现场工作人员获得足够休息以有效工作的能力。

虽然切尔诺贝利核电站没有运行中的反应堆,但其乏燃料储存池需要关注,但像扎波罗热这样的运行核电站的人员流动问题将更加严重,考虑到乌克兰对核电的依赖,这些核电站可能无法承受停运超过短时间的后果。而且,即使朝鲜真的关闭了这些反应堆,它们仍需要大量的运营和维护人员来管理反应堆和乏燃料储存设施。核电站工作人员在压力之外还会感到疲劳,这可能导致反应堆运行出现严重错误。如果俄罗斯接管了这些工厂,它可能别无选择,只能让自己的人员接管工厂的运营。

乌克兰的核泄漏不会成为另一个切尔诺贝利

正如切尔诺贝利事件生动地展示的那样,乌克兰的核事故不仅有可能污染乌克兰领土,还可能污染白俄罗斯、俄罗斯和欧洲大部分地区。虽然也是苏联设计的,但乌克兰的VVER-1000轻水反应堆,例如扎波罗热的六座,与切尔诺贝利的设计有着本质的不同。它们不那么容易受到特定事件序列的影响,包括大规模蒸汽爆炸和长时间的火灾,这些事件使得切尔诺贝利如此严重,并导致放射性物质在东欧和西欧广泛扩散,甚至在北半球的大部分地区造成了可检测到的水平。

然而,乌克兰四座正在运行的核电站中,如果其中一座发生核事故,其后果可能与福岛核电站类似。多个反应堆可能会经历冷却损失和堆芯损坏,而不一定会导致切尔诺贝利发生的重大限制违规。福岛最严重的土地污染最多延伸至25英里以外的地方。然而,由于福岛位于海岸,灾难释放到大气中的放射性物质据信有80%漂洋过海,而乌克兰的内陆核电站不会出现这种情况。即使是局部污染,也可能使乌克兰当局照顾平民和军队的能力大大复杂化。

福岛核事故发生后,世界各地的反应堆所有者也对核电站进行了改造,并制定了计划,以减轻堆芯熔化事故后可能发生的任何放射性释放。在扎波罗热,操作人员在一些反应堆中安装了系统,以中和可能释放到安全壳中的氢气,但这种系统通常无法应对氢气的高生成率。乌克兰当局还确定,核电站安装过滤通风口是合适的,这样操作人员就可以在不释放大量放射性物质的情况下降低密封压力,但实施进展缓慢。其他漏洞,比如潜在的控制旁路在vver -1000中,一旦发生堆芯熔化事故,则更难解决。

我们能做些什么呢?从安全角度来看,最好的情况是俄罗斯和乌克兰效仿双方已同意建立的临时“人道主义走廊”,在核电站周围建立“安全区”。此外,乌克兰和俄罗斯应谈判达成一项协议,保护核电站人员,允许安全换班以及应急准备和反应活动。

希望大家都能保持冷静。